運動誘導(dǎo)線粒體自噬對慢性疾病健康效應(yīng)的研究進展

王寧偉，馮 紅

(天津體育學(xué)院，天津市運動生理與運動醫(yī)學(xué)重點實驗室 天津 301617)

0 引 言

慢性病會降低居民的生活質(zhì)量和加重人們的經(jīng)濟負擔(dān)，缺乏運動是大多數(shù)慢性病發(fā)病的主要原因。運動會給機體帶來多種健康益處，例如：改善腦血流量和神經(jīng)發(fā)生；通過降低β-淀粉樣蛋白負荷和高磷酸化tau蛋白水平來改善腦認知功能；改善線粒體功能，進而促進骨骼肌肌肉因子釋放；抑制心臟生理性肥厚和促進心血管生成；抑制2型糖尿病患者的胰島素抵抗和減低血糖水平[1-6]。運動促進健康可能是通過線粒體自噬來實現(xiàn)的，但其具體機制并未得到系統(tǒng)闡述。線粒體自噬是指受損或功能障礙的線粒體被自噬體特異性包裹并通過溶酶體降解的過程，其生成的小分子化合物可用于細胞的合成代謝；線粒體自噬可促進線粒體生物發(fā)生、線粒體融合和分裂，可提高線粒體質(zhì)量。慢性疾病中運動導(dǎo)致線粒體自噬的作用尚未得到合理的科學(xué)解釋。本文綜述了不同運動形式和運動強度對機體線粒體自噬的影響及其在慢性疾病中的作用，旨在探究運動促進健康的科學(xué)原理，為亞健康人群慢性病預(yù)防和慢性病患者康復(fù)治療的運動處方提供科學(xué)依據(jù)。

1 線粒體自噬

能量應(yīng)激時線粒體自噬被初步激活，損傷線粒體出現(xiàn)快速放大的自噬信號，最后線粒體自噬受體通過其微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)結(jié)構(gòu)域(LC3-interactin region，LIR)與自噬體上的LC3相互作用，最終導(dǎo)致?lián)p傷線粒體被自噬體包裹。

1.1 線粒體自噬受體上游的分子信號

細胞內(nèi)積累的一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)可通過肝激酶B1(Liver kinase B1，LKB1)、轉(zhuǎn)化生長因子β激活激酶(transforming growth factor beat activated kinase，TAK1)或鈣調(diào)蛋白激酶(Ca2+/calmodulin-dependent kinase kinase，CaMKK)激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)；AMPK通過磷酸化激酶UNC-51樣激酶-1(un-51 like autophagy activating kinase，ULK1)的絲氨酸555位點來激活ULK1，ULK1促進自噬體的生成和自噬體與溶酶體的融 合[7]。在運動介導(dǎo)的能量應(yīng)激中，AMPK被激活從而啟動線粒體自噬。

動力蛋白相關(guān)蛋白1(Dynamin related protein 1，Drp1)介導(dǎo)損傷線粒體部分從健康線粒體分離[8]。人體第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN)介導(dǎo)的假定激酶蛋白1(PTENinduced putative kinase protein 1，PINK1)檢測線粒體的健康狀況。細胞質(zhì)中的PINK1定位于健康線粒體后被蛋白酶體降解，而定位于損傷線粒體后將會誘導(dǎo)線粒體自噬[9]；PINK1使位于線粒體外膜的泛素磷酸化，泛素結(jié)合E3泛素連接酶Parkin并使其完全激活，Parkin在線粒體外膜招募更多的泛素，進而激活更多的Parkin。這一正反饋循環(huán)機制使得越來越多的泛素鏈連接線粒體外膜蛋白，進而快速放大了線粒體自噬信號。

1.2 線粒體膜上的線粒體自噬受體

線粒體外膜或內(nèi)膜分布有自噬蛋白，可介導(dǎo)線粒體自噬。在缺氧條件下ULK1激活線粒體外膜上FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1(FUN14 domain containing 1，F(xiàn)UNDC1)[10]，促使其與自噬膜上LC3的結(jié)合，并完成自噬體對損傷線粒體的包裹。磷酸甘油酸變位酶5(Phosphoglycerate mutase 5，PGAM5)和B細胞淋巴瘤2(B-cell Lymphoma 2，Bcl2)類蛋白1(Bcl-2-Like Protein 1，Bcl2L1)也可調(diào)控FUNDC1。PGAM5通過促使FUNDC1的S13位點去磷酸化，激活FUNDC1誘導(dǎo)線粒體自噬，而BcL2L1通過與PGAM5結(jié)合阻止FUNDC1的S13位點去磷酸化，并抑制線粒體 自噬[11-12]。

另有其他線粒體外膜蛋白介導(dǎo)自噬。Bcl-2/E1B相互作用相似蛋白3(NIP3-like protein X，NIX)對于紅細胞中的線粒體清除是必需的[13-14]，S17或S24位點磷酸化的Bcl-2/E1B-19相關(guān)蛋白3(Bcl-2/E1B-19kDa interacting protein 3，BNIP3)與LC3相互作用增強線粒體自噬[15]。有研究表明線粒體內(nèi)膜蛋白也參與介導(dǎo)線粒體自噬。在線粒體去極化和蛋白酶體依賴的線粒體外膜破裂時，線粒體內(nèi)膜蛋白抗增殖蛋白2(Prohibitin 2，PHB2)與LC3相互作用，表達PHB2增加Parkin招募，PHB2缺失影響PINK1在線粒體外膜的穩(wěn)定[16-17]。

線粒體外膜或內(nèi)膜上分布有自噬受體，其通過與自噬膜上LC3結(jié)合促進自噬。這些線粒體膜上的自噬受體并不與PINK1、Parkin誘導(dǎo)產(chǎn)生的線粒體外膜上泛素鏈相互作用，但是PINK1、Parkin可能參與膜上自噬受體的自噬過程，如PHB2通過Parkin參與的線粒體外膜破裂發(fā)揮自噬作用。

1.3 泛素鏈連接的線粒體自噬受體

PINK1/Parkin途徑介導(dǎo)的線粒體自噬過程中，泛素鏈連接了多種線粒體自噬受體。其中視神經(jīng)素(Optineurin，OPTN)和核點蛋白52(nuclear dot protein 52，NDP52)作為泛素和LC3之間的橋梁，促進了受損線粒體的有效清除。有研究證明，PINK1雖然不依賴Parkin招募NDP52和OPTN到受損線粒 體[18]，但不能否認的是Parkin增強了PINK1的作用。有研究稱p62自噬作用不依賴PINK1介導(dǎo)的線粒體蛋白泛素化[19]，表明線粒體自噬存在PINK1/Parkin途徑之外的線粒體蛋白泛素化途徑。然而也有研究稱Parkin誘導(dǎo)線粒體蛋白泛素化偶聯(lián)，并且被p62識別誘導(dǎo)線粒體自噬，同時還能防止過度的炎癥小體激活[20]。

一般認為PINK1/Parkin通路快速放大了線粒體自噬信號，但也有人對此提出質(zhì)疑。合理的解釋可能是Parkin并沒有直接參與線粒體自噬，而僅僅作為PINK1磷酸化泛素的放大器。定位于線粒體內(nèi)膜和外膜的自噬受體與PINK1/Parkin通路有一定聯(lián)系[21]。

2 運動誘導(dǎo)的線粒體自噬

收縮的骨骼肌纖維會釋放活性氧，可增強肌肉運動適應(yīng)能力，但過量的活性氧會導(dǎo)致肌肉中氧化脂質(zhì)和蛋白的增加，進而破壞細胞膜、線粒體膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。大腦線粒體會產(chǎn)生大量活性氧，其誘導(dǎo)的毒性是導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病的確切因素[22]。氧化應(yīng)激時，內(nèi)源性活性氧大部分來自線粒體內(nèi)膜呼吸鏈，而線粒體功能失調(diào)激活腺苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(Nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor protein 3，NLRP3)增強炎癥反應(yīng)[23]。急性運動導(dǎo)致的線粒體應(yīng)激通過激活NLRP3炎性小體觸發(fā)大鼠的心肌炎癥，通過激活線粒體自噬和減少心肌損傷。Parkin和PINK1基因敲除小鼠力竭運動后，表現(xiàn)出了強烈的炎癥反應(yīng)[24]。另外，有研究表明通過刺激自噬能夠改善線粒體質(zhì)量和去除線粒體活性氧，從而可能帶來抗炎益處[25]。已知功能障礙的線粒體與多種慢性疾病相互聯(lián)系，而體育鍛煉能夠有效激活線粒體自噬。慢性疾病中運動誘導(dǎo)的線粒體自噬的激活受到了廣泛關(guān)注。有研究報道，在一次下坡跑臺訓(xùn)練后大鼠骨骼肌中的PINK1、Parkin、泛素、p62和LC3的表達水平增加，這有助于維持骨骼肌細胞穩(wěn) 態(tài)[26]和提示運動誘導(dǎo)線粒體自噬。很多研究報道了運動對線粒體自噬的作用，但研究結(jié)果不一致。

2.1 預(yù)運動

預(yù)運動使大鼠心肌中LC3Ⅱ/Ⅰ比率升高，直接力竭運動會降低LC3Ⅱ/Ⅰ比率，而在預(yù)運動與力竭運動相結(jié)合的方案中LC3Ⅱ/Ⅰ比率無變化[27]。力竭運動不能激活心肌線粒體自噬，但預(yù)運動對心肌保護有幫助。力竭運動后心肌LC3的積累說明自噬體降解受損，預(yù)運動能夠通過Parkin促進線粒體自噬，然而沒有觀察到運動誘導(dǎo)BNIP3途徑的線粒體自噬[28]。可能是因為低氧狀態(tài)BNIP3誘導(dǎo)的線粒體自噬是最顯著的，這提示線粒體自噬受體的特異性。預(yù)運動的運動方案可有效激活自噬，單一力竭運動的運動方案則沒有，這提示堅持長期運動習(xí)慣的重要性。長時間不運動后進行劇烈運動并不能帶來直接的健康效應(yīng)，因此，運動訓(xùn)練應(yīng)該堅持循序漸進的原則。

2.2 急性運動

AMPK-ULK1通路的激活表示自噬的啟動，運動后觀察到了AMPK-ULK1通路的激活。FUNDC1作為ULK1下游的線粒體自噬受體，在運動時誘導(dǎo)線粒體自噬[29]。

在急性運動后的骨骼肌和心肌中觀察到LC3Ⅰ向LC3Ⅱ轉(zhuǎn)化的下降和p62表達的減少，表明細胞自噬被激活。線粒體自噬相關(guān)蛋白LC3和BNIP3表達的增加，表明急性運動誘導(dǎo)心臟線粒體自噬[30]。在骨骼肌中也有運動誘導(dǎo)線粒體自噬的證據(jù)，表明急性運動后在嚙齒動物和人類骨骼肌中都有BNIP3表達的增加[31-32]。另有文獻表明急性運動促進小鼠LC3、p62 mRNA表達和LC3脂化，但是p62表達并沒有增加[33]，這與之前提到下坡跑臺訓(xùn)練后大鼠骨骼肌線粒體部分p62表達水平增加相互矛盾?；蛟S可以認為小鼠力竭運動后骨骼肌線粒體部分p62表達沒有增加，可能是過于劇烈的運動抑制了線粒體自噬。同樣是急性運動，只是運動強度決定了線粒體自噬的激活。

運動誘導(dǎo)線粒體自噬相關(guān)蛋白PINK1和Parkin的表達同樣存在爭議。有報道稱在小鼠運動后骨骼肌中發(fā)現(xiàn)Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬[34]；也有研究證明小鼠骨骼肌中PINK1不參與運動誘導(dǎo)的線粒體自噬，但在HeLa細胞的線粒體自噬中發(fā)現(xiàn)了PINK1的表達[35]。在這2項研究中，運動方案中的強度不同，再次提示了運動強度的作用。

2.3 耐力運動

8周運動訓(xùn)練使線粒體自噬調(diào)節(jié)能力增強。6周自愿轉(zhuǎn)輪運動后小鼠骨骼肌線粒體自噬基礎(chǔ)水平下降，表明運動訓(xùn)練使線粒體健康水平升高[36]。一項小鼠6周自愿轉(zhuǎn)輪運動實驗證明，Parkin并不參加基礎(chǔ)水平的線粒體自噬，在運動誘導(dǎo)的線粒體自噬后Parkin表達增加[36]。這在一定程度上解釋了Parkin不直接參與線粒體自噬，而是作為PINK1磷酸化泛素的放大器。有研究認為運動后線粒體整體健康狀況得到改善，急性應(yīng)激導(dǎo)致線粒體自噬的病理激活也會減弱[37]。長期耐力訓(xùn)練激活線粒體自噬，提高線粒體質(zhì)量，促進機體健康。在運動誘導(dǎo)的線粒體自噬中，還有多種線粒體自噬受體未見報道，今后的研究應(yīng)集中在更多的組織器官和更多的線粒體自噬相關(guān)分子機制。

3 運動誘導(dǎo)線粒體自噬對慢性疾病產(chǎn)生的健康效應(yīng)

3.1 運動誘導(dǎo)線粒體自噬在衰老骨骼肌中的作用

有研究表明，衰老大鼠骨骼肌線粒體自噬上調(diào)、骨骼肌慢性收縮活動后線粒體自噬減少[38]，提示運動激活線粒體自噬后顯著改善了線粒體質(zhì)量，因而線粒體自噬減少。衰老易患肢體缺血，運動通過增強線粒體分裂和選擇性自噬促進衰老小鼠的病后恢復(fù)[39]。抗阻力訓(xùn)練后年輕男性肌肉活檢顯示自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ的表達上調(diào)，老年男性并未出現(xiàn)這種情況[40]，提示衰老可能抑制運動誘導(dǎo)的線粒體自噬。另外，在動物實驗中線粒體自噬減少，而人體實驗中自噬相關(guān)蛋白表達上調(diào)，還可能是因為檢測的組織成分不同導(dǎo)致結(jié)果不同，動物實驗檢測的是線粒體蛋白表達，人體實驗檢測則是全細胞成分的蛋白表達。骨骼肌的線粒體自噬可能受到衰老影響，但不能否認衰老人群中出現(xiàn)運動誘導(dǎo)自噬的健康效應(yīng)。

3.2 運動誘導(dǎo)線粒體自噬在代謝性疾病中的作用

高脂飲食會導(dǎo)致線粒體應(yīng)激和骨骼肌中受損線粒體的積累，而運動訓(xùn)練可預(yù)防和逆轉(zhuǎn)這些異常。高脂飲食會導(dǎo)致小鼠非酒精性肝炎，自愿轉(zhuǎn)輪運動和強制運動訓(xùn)練都能促進肝臟自噬和線粒體生物發(fā)生，只有相對較大強度的強制運動訓(xùn)練才能促進線粒體自噬和減少線粒體損傷[41]。高脂飲食小鼠線粒體質(zhì)量控制失調(diào)，其中自噬相關(guān)蛋白BNIP3表達水平降低，自愿轉(zhuǎn)輪運動后高脂飲食小鼠和正常飲食小鼠LC3-Ⅱ/Ⅰ比率上升，同時p62蛋白含量下降[42]。代謝改變可能通過觸發(fā)機體炎癥影響線粒體自噬相關(guān)蛋白的表達，進而影響線粒體自噬。運動訓(xùn)練可激活線粒體自噬和改善代謝性疾病導(dǎo)致的線粒體損傷，且與運動強度密切相關(guān)。另有研究表明，糖尿病患者進行 3個月耐力訓(xùn)練后，其骨骼肌自噬相關(guān)蛋白BNIP3和LC3-Ⅱ/Ⅰ的比值沒有發(fā)生明顯變化[43]，提示不同程度的病理情況可能影響運動對骨骼肌線粒體自噬的激活。

3.3 運動誘導(dǎo)線粒體自噬在心肌梗死中的作用

有文獻表明線粒體自噬在心肌缺血再灌注帶來的損傷中發(fā)揮重要作用。老年小鼠心肌梗死后PINK1和Parkin表達降低，而LC3-Ⅱ和p62表達上調(diào)，表明自噬受到抑制[44]。3周游泳訓(xùn)練后心肌梗死小鼠的心肌代謝得到改善，自噬、凋亡和心肌梗死的面積均降低[45]。運動可能通過自噬改善心肌梗死帶來的病理影響。經(jīng)8周每天15 min的游泳訓(xùn)練可上調(diào)PINK1和Parkin的表達，以及減少LC3-Ⅱ和p62的積累；而每天60 min的游泳訓(xùn)練沒有緩解心肌梗死后PINK1/Parkin表達的降低，且會導(dǎo)致更多的LC3-Ⅱ和p62的積累[44]，提示過高的運動強度可能是線粒體自噬被抑制的原因。心肌梗死的大鼠線粒體融合蛋白2(mitofusin2，MFN2)、過氧化物酶增殖體激活受體γ輔激動子1α(peroxisome proliferatoractivated receptor γcoactivator 1α，PGC-1α)、Parkin和p62表達下調(diào)，而動力蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin related protein 1，DRP1)表達增加[46]。中等強度間歇運動后MFN2和PGC-1α表達顯著上升，DRP1表達顯著下降[46]。在高、中、低強度間歇運動后，自噬相關(guān)蛋白p62和Parkin都有上調(diào)的趨勢，且中強度間歇運動趨勢最明顯[46]。由此可見，適當?shù)倪\動強度對于線粒體質(zhì)量控制非常必要。

3.4 運動誘導(dǎo)線粒體自噬在阿爾茨海默癥中的作用

運動誘導(dǎo)小鼠腦的線粒體合成代謝和維持腦皮層的線粒體自噬。高強度間歇運動可以激活PINK1/Parkin通路的線粒體自噬和改善阿爾茨海默癥小鼠的線粒體功能，但并沒有激活BNIP3途徑的線粒體自噬，可能是因為低氧時BNIP3活性較高且運動提高腦血流量。有學(xué)者對阿爾茨海默癥的治療提出了新的可能，運動通過激活沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1)來增強線粒體自噬[47]；另外，進一步研究發(fā)現(xiàn)跑臺訓(xùn)練可減少阿爾茨海默癥小鼠海馬區(qū)線粒體p62和PINK1的表達，可上調(diào)LC3-Ⅱ和Parkin表達水平，表明線粒體自噬的增強[48]。運動后PINK1的表達降低，說明運動有效清除損傷和功能障礙的線粒體。LC3Ⅱ的增多和p62的表達降低說明線粒體自噬活性的升高。運動后Parkin表達上調(diào)與PINK1低表達二者相互矛盾，盡管有研究證明了PINK1促進Parkin表達[49]，但目前的證據(jù)表明Parkin可能不依賴PINK1來穩(wěn)定線粒體。相似的研究支持上述觀點，12周跑臺訓(xùn)練提高阿爾茨海默癥小鼠腦組織中Parkin的表達，降低PINK1和自噬標記物p62的表達，但LC3的表達水平有差異[50]。這2個研究檢測的LC3的脂化水平不同，檢測的腦組織部位也不同(海馬或皮層)，這可能是導(dǎo)致LC3的表達有差異的原因[50]。雖然研究結(jié)果不同，但不能否認運動誘導(dǎo)的線粒體自噬對阿爾茨海默癥的治療效果。運動能夠有效激活線粒體自噬、清除損傷的線粒體、促進線粒體健康，但自噬相關(guān)蛋白可能因為不同的運動強度而表現(xiàn)出特異性。

4 結(jié) 論

在運動對慢性疾病的防治中，線粒體自噬發(fā)揮了重要作用。無論是在正常機體，還是在衰老和慢性疾病狀態(tài)下，運動都可激活線粒體自噬。一般認為低強度運動不能激活線粒體自噬，高強度劇烈運動抑制線粒體自噬，而中強度運動可有效激活線粒體自噬。堅持長期中強度運動可有效提高線粒體質(zhì)量、增強線粒體功能，從而為機體帶來健康效應(yīng)。運動誘導(dǎo)線粒體自噬的研究多集中于腦、心肌和骨骼肌，科學(xué)的運動處方需要更多組織器官的分子機制研究。在線粒體自噬的多種分子機制中，運動在其中扮演的角色也需要一一驗證。